《GNSS定位测量技术》 课件 子项目1、2 GNSS定位技术的发展；坐标系统与时间系统

子项目一：

GNSS定位技术的发展任务一卫星定位技术发展概况常规（地面）定位方法：

采用的仪器设备尺：钢尺光学仪器：经纬仪，水准仪电磁波或激光仪器：测距仪综合多种技术的仪器：全站仪

观测值高差测量角度或方向观测距离观测天文观测方常规定位方法的局限性需要事先布设大量的地面控制点/地面站无法同时精确确定点的三维坐标观测受气候、环境条件限制观测点之间需要保证通视1)需要修建觇标/架设高大的天线2)边长受到限制3)观测难度大4)效率低：无用的中间过渡点受系统误差影响大，如地球旁折光难以确定地心坐标

随着我们第一颗人造地球卫星的成功发射，人们就进入了空间科学技术的研究和应用，卫星定位技术将我们的大地测量带入到了一个崭新的时代。早期的卫星定位技术1、实质就是利用人造地球卫星进行点位测量的技术2、原理

（1）摄影测量：测站点至卫星的方向—卫星三角网（2）激光技术：测站至卫星的方向—卫星测距三角网后期还出现了无线电技术，即利用卫星发射的无线电波进行距离测量3、优点：远距离定位不足：使用条件受限（受天气和卫星可见条件影响）；耗时大；定位精度不高（±5m的点位精度）；不能获得地心坐标

很快就被淘汰了，由子午卫星系统所取代。第一代卫星导航系统—NNSS系统系统简介NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit（子午卫星系统）采用利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统美国研制、建立1964年1月建成1967年7月解密供民用子午卫星子午卫星星座第一代卫星导航系统—NNSS系统系统组成空间部分卫星：发送导航定位信号（信号：4.9996MHz

30=149.988MHz；4.9996MHz

80=399.968MHz；星历）卫星星座–

由6颗卫星构成，6轨道面，轨道高度1075km地面控制部分包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台用户部分多普勒接收机大地测量多普勒接收机-1（MX1502）大地测量多普勒接收机-2（CMA751）第一代卫星导航系统—NNSS系统应用领域海上船舶的定位大地测量精度单点定位：15次合格卫星通过（两次通过之间的时间间隔为0.8h~1.6h），精度约为10m联测定位：各站共同观测17次合格卫星通过，精度约为0.5m多普勒联测定位多普勒单点定位第一代卫星导航系统—NNSS系统NNSS系统优点不受天气和时间限制可获得三维地心坐标经济快速精度提高远距离观测NNSS系统缺陷卫星少，观测时间和间隔时间长，无法进行全球性的实时连续导航定位卫星轨道低，难以精密定轨卫星信号频率低，不利于消除电离层效应导航定位精度低

为什么子午卫星系统很快被取代，而不是修改该系统？？10导航卫星定位系统（GNSS）导航卫星定位系统

GPS（美国）

GLONASS系统（苏联） 北斗双星导航定位系统（中国）

NAVSAT卫星导航系统（欧空局） 伽利略全球卫星导航系统（欧盟）GPS卫星定位系统建立国家：美国海陆空三军联合研制，投资300亿美元。初期目的：为军方提供实时、连续、全天候、全球性的导航服务，情报收集、核爆监测及应急通讯等军事目的。开始筹建时间：1973年完全建成时间：1995年服务方式：通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务定位原理：空间距离后方交会测距原理：被动式电磁波测距特点：以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（能为各类用户（陆地，海洋，航空，航天）提供精密的三维坐标，速度和时间），全球性，全天候，连续性和实时性的导航，定位和定时的功能。应用：各种运载工具导航、高精度大地测量、精密工程测量、地壳形变测量等。GPS卫星定位系统GPS系统构成空间部分GPS卫星星座用户部分GPS信号接收机控制部分地面监控系统GPS的发展简史

——方案论证阶段1973年12月，美国国防部批准研制GPS。1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪从1979年到1987年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。GPS的发展简史

——实用组网阶段1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。

1995年7月17日，GPS达到FOC–完全运行能力（FullOperationalCapability）。其他全球定位系统GLONASS－GlobalNavigationSatelliteSystem（全球导航卫星系统）开发者俄罗斯（前苏联）设计：军用；民用免费建设时间：1982~1996系统构成卫星星座地面控制部分用户设备GLONASSsatelliteGLONASS卫星发射现场其它卫星导航定位系统—GLONASS问题：从理论上有24颗卫星，但由于卫星使用寿命和资金紧张等问题，实际上目前只有8颗。民用精度：单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。其它卫星导航定位系统—GLONASS

恐怕很少有人知道，GLONASS的正式组网比GPS还早，这也是美国加快GPS建设的重要原因之一。不过苏联的解体让GLONASS受到很大影响，正常运行卫星数量大减，甚至无法为为俄罗斯本土提供全面导航服务，更不要说和GPS竞争。到了21世纪初随着俄罗斯经济的好转，GLONASS也开始恢复元气，推出了GLONASS-M和更现代化的GLONASS-K卫星更新星座。其它卫星导航定位系统—GLONASS卫星运行状况从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。到2006年3月20日为止,GLONASS系统共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。其它卫星导航定位系统—GLONASS目前该系统在轨卫星总数为26颗，其中20颗正常工作，4颗正接受技术维护，另有2颗处于“预备役”状态。2013年7月2日上午，在哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场，俄罗斯“质子M”运载火箭搭载三颗俄国“GLONASS”导航卫星发射升空后，火箭离地不久即发生故障，箭体大角度偏离航线并空中解体，最后坠地爆炸。GLONASS与GPS的比较参数GLONASSNAVSTARGPS系统中的卫星数21＋321＋3卫星设计寿命6~7年（实际3年）8年（实际超过8年）轨道倾角64.8°55°轨道高度19100km20180km轨道周期（恒星时）11h15min12h卫星信号的区分FDMA（频分多址）CDMA（码分多址）L1频率1602~1615MHz频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率1246~1256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHz

技术难点1．目前GLONASS工作不稳定，卫星工作寿命短，前景不明2．GLONASS用户设备发展缓慢，生产厂家少，设备体积大而笨重；3．由于GLONASS采用的是FDMA，所以用户接收机中频率综合器复杂；4．对GPS/GLONASS兼容接收机，需解决两系统的时间和坐标系统问题其它卫星导航定位系统——Galileo2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统——Galileo系统。特点：共享的独立于GPS的适于海陆空的系统。参股共建，收费。参数：Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56°。功能：具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，（前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用）。其它卫星导航定位系统——GalileotheGalileosatelliteconstellation

其它卫星导航定位系统——Galileo2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星（GalileoIn-OrbitValidationElements--GlOVE-A）成功进入高度为2.3万Km的预定轨道。2006年1月12日，GlOVE-A已开始向地面发送信号。这标志着总投资为34亿欧元（约合41亿美元）的计划已进入实施阶段。到2010年欧洲将发射30颗服役期约为20年的正式卫星，完成伽利略卫星星座的部署工作。伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导航定位系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。其它卫星导航定位系统——GalileoGalileo的主要目标:

频率信号测试；验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）；轨道环境特征测试；并行2或3通道信号传输测试。GIOVEAGIOVEB其它卫星导航定位系统——Galileo精度：为用户提供精确的时间和误差不超过一米的全球精确定位服务主要困难：投资巨大：高达36亿欧元的造价美国政府的极力反对：美国的干扰在一定程度上推迟了“伽利略”计划的通过。

Galileo系统的典型功能是信号中继，即向用户接收机的数据传输可以通过一种特殊的联系方式或其他系统的中继来实现，例如通过移动通信网来实现。“伽利略”接收机不仅可以接受本系统信号，而且可以接受GPS、“GLONASS”这两大系统的信号，并且具有导航功能与移动电话功能相结合、与其他导航系统相结合的优越性能。由于种种原因，伽利略卫星系统发展并不理想。2012年10月12日再发射2颗IOV在轨验证卫星，可使卫星数量增加到4颗，可满足导航定位的最低要求，包括测量经、纬度和高度等，可用来进行地面系统的性能评估。其它卫星导航定位系统——Galileo

伽利略系统确定地面位置或近地空间位置要比GPS精确10倍。其水平定位精度优于10米，时间信号精度达到100ns。必要时，免费使用的信号精确度可达6米，如与GPS合作甚至能精确至4米。一位电子工程师举例说明了这个区别：“如今的GPS只能找到街道，而‘伽利略’系统则能找到车库门。”伽利略系统与GPS系统的主要区别

导航卫星定位系统全球卫星定位系统轨道参数对比卫星定位系统子午NNSSGPSGLONASSGNSS卫星数621+321+327+3轨道面6633轨道倾角905564.856平均轨道高度(km)1100202001910023616周期(min)10771867586332其它卫星导航定位系统——北斗卫星导航系统我国的“北斗”导航卫星定位系统北斗双星导航定位系统第一颗卫星：2000年11月1日凌晨第二颗卫星：2000年12月22日凌晨备用卫星：2003年5月25日继美国、俄罗斯后，第三个自主建立导航系统的国家其它卫星导航定位系统——北斗卫星导航系统北斗导航卫星定位系统服务区域东经70°~145°；北纬5°~55°覆盖我国和周边国家及地区功能快速定位、精密授时、短报文通讯定位精度平面±20m，高程±10m；优点系统简单，投资少其它卫星导航定位系统

——北斗卫星导航系统

我国自行研制的两颗北斗导航试验卫星分别于2000年10月31日和12月20日从西昌卫星发射中心升空并准确进入预定的地球同步轨道（东经80º和140º的赤道上空），此外另一颗备用卫星也被送入预定轨道（东经110.5º的赤道上空），标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航系统——BD–1。其它卫星导航定位系统——北斗卫星导航系统BD–2

为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质性的提高，中央已决定研制组建第二代北斗卫星导航定位系统（BD–2）。从导航体制、测距方法、卫星星座、信号结构及接收机等方面进行全面改进。卫星星座计划由GEO卫星，IGSO卫星和MEO卫星组成。此项工作将成为”十一五”期间的一项重要工作。其它卫星导航定位系统——北斗卫星导航系统由两颗地球同步轨道卫星组成星座，结构简单其它卫星导航定位系统——北斗卫星导航系统空间球面交会原理1、计算用户到两颗卫星的距离；2、由中心站的数字地图计算用户到地心的距离；3、由卫星和地心坐标，计算出三维位置。4、高程由数字地面高程模型。卫星1☆星下点1星下点2☆

定位圆1定位圆2地面中心站卫星2其它卫星导航定位系统——北斗卫星导航系统北斗二号全球卫星定位系统

2004年国务院标准建设卫星星座：5颗静止轨道卫星30颗非静止轨道卫星27颗中圆轨道3颗倾斜同步轨道设计精度：开放服务10m，广域差分定位精度1m。截止2012年10月25日，已有16颗卫星在轨其它卫星导航定位系统——北斗卫星导航系统2011年12月27日起，开始向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。2012年12月27日起，向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务；民用服务与GPS一样免费。北斗卫星系统已经对东南亚实现全覆盖。中国科技部2013年4月份表示，老挝和文莱将通过研究与合作协议初步采用该导航系统。3月底，泰国和中国签署了类似协议，泰国成为中国国产导航系统的首个海外顾客。

北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位，导航和授时服务，包括开放服务和授权服务两种方式。

开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10ns。

授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

导航精度上不逊于欧美之外，北斗卫星导航系统解决了何人、何时、何地的问题，这就是北斗的特色服务，靠北斗一个终端你就可以走遍天下。其它卫星导航定位系统——北斗卫星导航系统其它卫星导航定位系统

—北斗卫星导航系统用户终端分为定位通信终端集团用户管理站终端差分终端校时终端等

北斗导航终端与GPS、“伽利略”和GLONASS相比，优势在于短信服务和导航结合，增加了通讯功能；全天候快速定位，极少的通信盲区，精度与GPS相当。向全世界提供的服务都是免费的，在提供无源定位导航和授时等服务时，用户数量没有限制，且与GPS兼容；特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用；独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计，可同时解决“我在哪？”和“你在哪？”的问题；自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。但北斗导航也存在着明显的不足和差距，如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等。其它卫星导航定位系统——北斗卫星导航系统任务二GPS测量的特点GPS系统是目前在导航定位领域应用最为广泛的系统，以全球性、高精度、全天候、高效率、多功能、易操作等特点著称，更具优势。45任务二GPS测量的特点功能多导航定位测速授时46任务二GPS测量的特点GPS定位精度高静态定位：厘米级至毫米级动态定位：亚米级至厘米级能满足各种工程测量的要求速度测量：亚米级至厘米级时间测量：毫微秒级47任务二GPS测量的特点实时导航观测时间短测站无需通视操作简便全球统一的三维地心坐标全球全天候作业任务三GPS测量技术应用GPS在军事中的应用GPS导航的舰载飞弹

配备GPS的士兵

美国海军核潜艇

GPS在交通运输业中的应用航运、航空搜索陆路交通（车辆导航、监控）船舶远洋导航和进港引水GPS在测量中的应用1、建立和维持全球性的参考框架2、板块运动和监测GPS测量定位技术精品课程3、建立各级国家平面控制网4、布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量GPS测量定位技术精品课程5、在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用GPS在其他领域中的应用精细农业遥感卫星定轨资源勘探个人旅游及野外探险电力、广播、电视、

通讯等网络的时间同步、

时间传递….任务四美国政府的GPS政策1、SPS与PPSSPS–

标准定位服务使用C/A码，民用2DRMS水平=100m2DRMS垂直=150-170m2DRMS时间=340nsPPS–

精密定位服务可使用P码，军用2DRMS水平=22m2DRMS垂直=27.7m2DRMS时间=200ns2、SA政策（1990.3.25~2000.5.1）SelectiveAvailability–

选择可用性人为降低普通用户的测量精度。方法:ε技术：降低星历精度（加入随机变化）δ技术：卫星钟加高频抖动 （短周期，快变化）3、AS措施（1994.1.31~至今）Anti-Spoofing–反电子欺骗P码加密，P+W

Y任务四美国政府的GPS政策GPS存在的问题1、军用的国家安全及保密要求与民用精度要求相互冲突。2、对民用用户无安全承诺3、三维测量精度不一致（高程误差最大，X坐标误差次之，Y坐标误差最小）GPS应用的最新发展1、精密单点定位PPP2、GPS测高程因似大地水准面模型已建立，目前GPS可代替三等水准3、室内GPS接收机发展趋势：高精度，快速，小型，自动，抗遮挡，抗电磁干扰GPS现代化1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美元，进行GPS现代化。GPS现代化实质是要加强GPS对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。GPS现代化的内涵：保护。即GPS现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力；阻止。即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，AS等；保持。即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用。GPS现代化GPS现代化第一阶段发射12颗改进型的BLOCKⅡR型卫星。

GPS现代化第二阶段发射6颗GPSBLOCKⅡF（“ⅡFLite”）。GPS现代化计划的第三阶段发射GPSBLOCKⅢ型卫星，在2003年前完成代号为GPSⅢ的GPS完全现代化计划设计工作。子项目二坐标系统与时间系统任务一GPS测量的坐标系统GPS定位是以GPS卫星为动态已知点，根据GPS接收机观测的星、站距离来确定接收机或者测站的位置，而位置的确定离不开坐标系。GPS定位所采用的坐标系的特点GPS定位的坐标系既有空固坐标系，又有地固坐标系。建立的地球坐标系是真正意义上的全球坐标系。GPS定位的地球坐标系原点在地球的质量中心，即为地心坐标系。必须要掌握坐标系间的转换。GPS测量坐标系的分类空固坐标系与地固坐标系地心坐标系与参心坐标系空间直角坐标系与球面坐标系国家统一坐标系与地方独立坐标系三维坐标与二维坐标66GPS测量坐标系分类坐标系分类坐标系特征①空固坐标系地固坐标系空固坐标系与天球固连，与地球自转无关，用来确定天体位置较方便。地固坐标系与地球固连，随地球一起转动，用来确定地面点位置较方便。②地心坐标系参心坐标系地心坐标系以地球的质量中心为原点，如WGS-84坐标系和ITRF参考框架均为地心坐标系。而参心坐标系以参考椭圆体的几何中心为原点，如北京54坐标系和80国家大地坐标系。③空间直角坐标系球面坐标系平面直角坐标系一是以大地经纬度表示点位的大地坐标系，二是空间直角坐标系。测量中常用平面直角坐标系，即将大地经纬度进行高斯投影或横轴墨卡托投影后的平面直角坐标系。④国家统一坐标系地方独立坐标系我国国家统一坐标系常用的是80国家大地坐标系和北京54坐标系，采用高斯投影，分6°带和3°带；而对于诸多城市和工程建设来说，因高斯投影变形以及高程归化变形而引起实地上两点间的距离与高斯平面距离有较大差异，为便于城市建设和工程的设计、施工，常采用地方独立坐标系，即以通过测区中央的子午线为中央子午线，以测区平均高程面代替参考椭圆体面进行高斯投影而建立的坐标系。天球坐标系和地球坐标系

全球定位系统（GPS）的最基本任务是确定用户在空间的位置。而所谓用户的位置，实际上是指该用户在特定坐标系的位置坐标，位置是相对于参考坐标系而言的，为此，首先要设立适当的坐标系。坐标系统是由原点位置、3个坐标轴的指向和尺度所定义，根据坐标轴指向的不同，可划分为两大类坐标系：天球坐标系和地球坐标系。

由于坐标系相对于时间的依赖性，每一类坐标系又可划分为若干种不同定义的坐标系。不管采用什么形式，坐标系之间通过坐标平移、旋转和尺度转换，可以将一个坐标系变换到另一个坐标系去

68天球坐标系和地球坐标系地球坐标系地固坐标系坐标轴指向随地球自转而自转（相对于地球静止）描述地面点位置天球坐标系空固坐标系坐标轴指向相对于宇宙不动，与地球自转无关（相对于地球是运动的）常用于描述天体位置69天球坐标系

天球——以地球质心为球心，以任意长（无穷大）为半径的假想球体。天球坐标系天球空间直角坐标系天球球面坐标系协议天球坐标系以某一时刻作为标准的坐标轴指向。

天球坐标系

1.天球空间直角坐标系的定义坐标原点O：地球质心；

Z轴：天球北极；

X轴指向春分点；

Y轴:垂直于XOZ平面，与X轴和Z轴构成右手坐标系。

2．天球球面坐标系的定义

坐标原点O：地球质心；赤经α

：天体所在天球子午面和春分点所在天球子午面之间的夹角。

赤纬δ

：天体到原点M的连线与天球赤道面之间的夹角。

向径r

：天体至原点的距离为。

天球坐标系

3.天球空间直角坐标系与天球球面坐标系的关系如图2-1表示：

对同一空间点，天球空间直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数间有如下转换关系：地球坐标系

1．地球直角坐标系的定义

原点O：与地球质心重合；

Z轴：指向地球北极；

X轴：指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点；

Y轴：在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系。2.地球大地坐标系的定义

原点O：与地球质心重合；大地经度L：过地面点P的子午面和起始子午面间的夹角大地纬度B：过点P的椭球法线和赤道面之间的夹角大地高H：点沿椭球法线到椭球面的距离3.地球直角坐标系和地球大地坐标系可用图2-2表示：对同一空间点，直角坐标系与大地坐标系参数间有如下转换关系：

地球坐标系岁差与章动

在外力作用下，地球的自转轴在空间的指向并不保持固定的方向，而是不断的变化，其中地球的长期远动叫做岁差，而周期运动称为章动。

岁差：假定月球轨道固定，由于日月对地球赤道隆起部分的引力作用，北天极沿圆形轨道（岁差圆）绕北黄级的运动叫岁差在岁差影响下的北天极称为瞬时平北天极，相应的春分点称为瞬时平春分点

章动：由于月球轨道和月、地距离的变化，是实际北天极沿椭圆形轨道绕瞬时平北天极旋转，这种现象叫做章动卫星测量中常用天球坐标系

1．瞬时真（北天极）天球坐标系：

原点：地球质心

z轴指向瞬时北天极（真天极）

x轴指向瞬时春分点（真春分点），

y轴按构成右手坐标系取向。2.瞬时平天球坐标系

原点：地球质心

z轴指向瞬时平北天极

x轴指向瞬时平春分点

y轴按构成右手坐标系取向。3、历元（协议）平天球坐标系

原点：地球质心

z轴指向协议北天极

x轴指向协议北天极所对应的春分点

y轴按构成右手坐标系取向。

（协议北天极为2000年1月15日的瞬时平北天极）天球坐标系之间的转换

瞬时真天球坐标系-----------瞬时平天球坐标系瞬时平天球坐标系-----------历元平天球坐标系

章动改正岁差改正极移极移：在地幔对流以及其他物质迁移的影响下，地球自转轴的位置随时间的不同而发生改变的现象称为地极移动，简称极移。地球坐标系1、瞬时地球坐标系：原点位于地球质心

z轴指向瞬时北极

x轴指向起始子午面与赤道面的交点

y轴构成右手坐标系取向。2、协议地球坐标系原点：地球质心

z轴：指向CIO

x轴：指向与CIO相对应的赤道面与起始子午面的交点

y轴：按构成右手坐标系取向（总地球椭球与参考椭球的差别（书上P109））国际协定原点CIO：采用国际上5个纬度服务站的资料，以1900至1905年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极称为国际协定原点CIO。地球坐标系之间的转换

瞬时地球坐标系-----------------协议地球坐标系

极移改正天球坐标系与地球坐标系之间的转换

卫星的位置是由天球坐标系的坐标表示，测站的位置是由地球坐标系的坐标表示，要想用卫星的坐标测出测站的坐标，需将天球坐标系的坐标转化为地球坐标系的坐标。

转换的步骤：历元平天球坐标系----瞬时平天球坐标系-------瞬时真天球坐标系--------------------瞬时地球坐标系--------协议地球坐标系在转换过程中，因两者的坐标原点一样，故只需要多次旋转坐标轴即可只有X轴差一个GAST角度注：GAST为格林尼治恒星时高程系统一、正高（海拔高）H正

1、定义：指地面点沿铅垂线到大地水准面的距离

2、特点：（1）正高高程是唯一的；（2）一点在不同深度处的重力加速度的平均值二、正常高H常

1、定义：指地面点沿铅垂线到似大地水准面的距离。

我国采用的高程系统。基准面为似大地水准面三、大地高（椭球高）H

1、地面点沿椭球法线到椭球面得距离叫该点的大地高

2、特点：大地高是纯几何量，不具物理意义。同一个点在不同基准下有不同的大地高椭球面大地水准面似大地水准面P地面大地高正常高正高大地水准面差距高程异常高程系统大地高与正高、正常高关系：N——大地水准面差距；

——高程异常。大地水准面差距：椭球面与大地水准面之间的距离。高程异常：椭球面与似大地水准面之间的距离。

85GPS水准GPS水准精度GPS测定的大地高精度，可优于1cm。大地高转换为正高、正常高时，需要采用其他方法测定的大地水准面差距或高程异常。综合实际情况，当前能达到三等水准的要求GPS测量中的常用坐标系统

一、大地测量基准的概念

大地测量基准：描述地球大小，形状和地球在空间定位，定向的参数，包括几何参数：长半径a；地球重力场二阶带谐系数C20，J2；物理参数：GM；定向定位参数：ω

。经典大地测量基准是由几何测量确定的，缺少物理参数，现代大地测量基准是由物理测量确定的，参数齐全GPS测量中的常用坐标系统二、大地测量的坐标系与大地测量基准的差别

大地测量坐标系是理论定义，空间一点在不同坐标系之间转换不影响点位大地测量基准是依据若干观测点的观测数据确定的大地测量坐标系，因观测有误差，故空间一点在不同基准之间的转换会带来误差。在多数场合下，两者不加区别。我们常用的坐标系都是大地测量基准88GPS测量中常用的坐标系协议地球坐标系

1.WGS-84坐标系2.ITRF参考框架国家大地坐标系

1.北京54坐标系

2.西安80坐标系3.新北京54坐标系4.2000坐标系

5.地方坐标系GPS测量中的常用坐标系统

协议地球坐标系

1.WGS-84坐标系

WGS-84的定义：WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化，并旋转其参考子午面与BIH定义的零度子午面一致而得到的一个新参考系。原点在地球质心

Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极（CTP）方向

X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点

Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。

它是协议地球坐标系的一种

GPS测量中的常用坐标系统

WGS-84坐标系采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数

长半径：a=6378137±2（m）；

地球引力常数：

GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2；

正常化二阶带谐系数：

C20=-484.16685×10-6±1.3×10-9；

J2=108263×10-8

地球自转角速度：

ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-191GPS测量中的常用坐标系统2.ITRF坐标框架IERS---指国际地球自转服务机构。ITRS---指国际地球参考系统。IERS每年将全球各站观测数据综合处理，得出一种协议地球参考系统ITRS。ITRF---指构成ITRS的地面控制点网，即有“框架”之意。IGS---国际GPS地球动力学服务。几乎所有的IGS精密星历都是在ITRF框架下提供的。GPS测量中的常用坐标系统2.ITRF参考框架

ITRF是国际地球自转服务局（IERF）根据分布全球的地面观测站，以最先进的测量技术获得的数据确定的大地测量基准，是世界工人的精度最高的大地测量基准。目前尚未普遍采用，但其日后必将代替WGS-84.IERF已发布了ITRF88、89、90、91、92、93、94、96、97、2000等多个地心参考框架，椭球参数与WGS-84相同，定向不同93WGS-84地面站坐标精度为1m到2m的精度，ITRF则为厘米级精度引力常数不同WGS-84与ITRF的关系WGS84与ITRF的转换关系GPS测量中的常用坐标系统国家大地坐标系

1.1954年北京坐标系（BJ54旧）坐标原点：前苏联的普尔科沃。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：分区分期局部平差。

存在的问题：

（1）椭球参数有较大误差。（2）参考椭球面与我国大地水准面差距大，不能达到最佳拟合，存在着自西向东明显的系统性倾斜。（3）坐标误差累计大（坐标从东北传递到西北和西南的，未进行整体平差，各部分结合点有1~2米的误差）。（4）定向不明确即X,Y轴的指向不明。（5）属参心坐标系。（和卫星坐标的原点不一致）GPS测量中的常用坐标系统2.1980年国家大地坐标系（GDZ80）坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球：1975年国际椭球。平差方法：天文大地网整体平差。特点：

（1）采用1975年国际椭球。（2）大地高程基准采用1956年黄海高程。（3）椭球面同似大地水准面在我国境内最为拟合。（4）定向明确。（5）大地原点地处我国中部。（6)其大地点的高程起算面是似大地水准面，是局部基准而非全球基准。（7）二维坐标系，不适合卫星定位GPS测量中的常用坐标系统3.新1954年北京坐标系（BJ54新）新1954年北京坐标系是由1980年国家大地坐标（GDZ80）转换得来的。坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：天文大地网整体平差。BJ54新的特点：（1）采用克拉索夫斯基椭球。（2）是综合GDZ80和BJ54旧建立起来的参心坐标系。（3）椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。（4）定向明确。（5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。（6）大地高程基准采用1956年黄海高程。（7）与BJ54旧相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定向于GDZ80相同。（8）BJ54旧与BJ54新无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。97GPS测量中的常用坐标系统4.2000国家大地坐标系我国地心坐标系原点：地球质心右手地固直角坐标系98GPS测量中的常用坐标系统5.地方坐标系国家统一坐标系在由于投影会产生两种变形：高程归化变形一般工程要求，变形不超过1/40000；要求对应的大地高不超过160m。东部沿海可以忽略，中西部需改正。方法：将地面点投影到平均高程面上。99GPS测量中的常用坐标系统5.地方坐标系国家统一坐标系由于投影会产生两种变形：高斯投影变形一般工程要求，变形不超过1/40000；要求离中央子午线的距离不超过45km；对于3度带，最远距离可达167km;方法：选择测区中央的经度作为中央子午线进行投